Моделирование миграции подземных вод
Моделирование миграции подземных вод
Лукнер Л., Шестаков В. М.
Для обозначения процессов перемещения химических элементов в земной коре, ведущего к изменению их содержания (рассеянию или концентрации), А. Е. Ферсман ввел понятие «геохимическая миграция». Значительная роль в таких процессах принадлежит подземным водам, которые представляют собой сложные естественные растворы. Перемещение и трансформацию компонентов подземных вод, приводящие к изменению их содержания, соответственно, будем называть гидрогеохимической миграцией или миграцией подземных йод. При миграции речь идет не о движений всей массы воды (как это рассматривается в процессах фильтрации), а о взаимном перемещении отдельных компонентов подземных, вод (химических, механических, биологических), определяющих их состав и свойства.
Решающую роль в развитии исследований гидрогеохимической миграции сыграла необходимость изучения изменений качества подземных вод при различных техногенных воздействиях, особенно при складировании и захоронении промышленных отходов. Задачи охраны и управления качеством подземных вод остаются актуальными и важными областями применения гидрогеомиграцион - ных исследований. Вместе с тем Значительное распространение эти исследования получили при решении вопросов формирования подземных вод, обоснования сельскохозяйственных йелиораций, методики полевых индикаторных опытов и т. п.
Количественные исследования миграции подземных вод должны опираться на построение моделей гидрогеомиграци он - ных процессов, состоящих из моделей процессов переноса и физико-химической трансформации мигрирующих веществ (мигрантов), причем процессы трансформации в свою очередь подразделяются на превращения внутри каждой фазы горной породы (главным образом, гидрохимические превращения в жидкой фазе) и обмен между фазами. Только совместное, взаимосвязанное рассмотрение моделей этих процессов позволяет получить полное представление о моделировании миграции подземных вод.
Заметим, что по ряду позиций к моделям гидрогеохимической миграции близки гидрогеотермические модели. Особенно это относится к аналогичным по своим моделям процессам тепло - и массо - переноса, поэтому на начальном этапе изучения миграции подземных вод модели гидрогеотермических и гидрогеохимических процессов рассматривались совместно. Однако дальнейшее развитие моделей гидрогеомиграционных процессов явно идет по пути углубленного исследования процессов физико-химических трансформаций, в связи с чем все отчетливее проявляется специфика моделей гидрогеохимической - миграции. Поэтому представляется целесообразным в дальнейшем рассматривать процессы теплопереноса обособленно, относя к миграции подземных вод только миграцию компонентов подземных вод (гидрогеохимическую миграцию).
Моделирование миграции подземных вод, как и моделирование любого процесса, служит для решения следующих задач: получения знаний путем проверки модельной концепции (гипотезы) практическим экспериментом; научной интерпретации процессов, протекавших в прошлом; для феноменологического объяснения процессов (включая идентификацию параметров по данным_изМеряемого хода процесса); научного прогнозирования развития процесса при определенных условиях, причем прогнозное моделирование является предпосылкой для проектирования эффективных мероприятий я технических средств для Осознанного воздействия на процесс (управления процессом).
Развитие моделирования миграции подземных вод было связано прежде всего с требованиями количественного решения, задач охраны подземных вод от загрязнения, в том числе для выделения охранных зон водозаборов и установления возможного характера хозяйственного использования этих зон. Особенно важно моделирование миграционных (гидрогеомиграционных) процессов при гидрогеологическом обосновании сооружения хранилищ промышленных отходов с целью уменьшения их вредного воздействия на окружающую среду. Большую роль играет моделирование миграции при гидрогеологических исследованиях на территориях сельскохозяйственных мелиораций (для обоснования питательного режима почв и изменения качества грунтовых вод), на урбанизированных территориях, в районах разработки месторождений полезных ископаемых, для искусственного восполнения запасов подземных вод и улучшения их качества, при изучении условий формирования к разрушения месторождений полезных ископаемых. Начаты работы по использованию миграционного моделирования при изучении общих вопросов формирования состава подземных вод.
Важной областью применения моделирования является обоснование мониторинга качества подземных вод, требующее для правильной постановки и интерпретации данных наблюдений правильного ответа на следующие основные вопросы: что, где, когда, как измеряется, а также кто производит измерения. Ответы на эти вопросы могут быть даны только на основе ясных представлений о модели наблюдаемых процессов.
Принципиально важным является построение гидрогеомиграционных моделей на детерминистической основе, приводящее к теоретическим моделям в форме системы дифференциальных уравнений с соответствующими условиями однозначности. Это имеет принципиальное значение, поскольку «лишь дифференциальное исчисление дает естествознанию возможность изображать математически не только состояния, но и процессы»
Особенно важное значение такая позиция имеет для моделирования натурных геомиграционных процессов, которые обычно развиваются очень медленно во времени и довольно сложно в пространстве, так что их понимание и количественное описание на основе «черного ящика», как правило, оказывается нереальным. Вместе с тем нельзя утверждать, что уже сейчас гидрогеомиграцион - ное моделирование может уверенно служить для количественного анализа всех гидрогеохимических процессов, поскольку в ряде случаев сложность гидрогеохимических трансформаций не позволяет описать их в детерминистической форме. Однако прогресс в этом направлении очевиден, и потому, представляя достаточно завершенные разделу гидрогеомиграционного моделирования, целе? сообразно рассматривать и качественные описания, намечающие переход к количественным моделям.
Огромное число работ, непрерывно пополняющих исследования в различных направлениях изучения миграции подземных вод сильно затрудняет их обобщение. В связи с этим, авторы Вынуждены были ограничиться главным образом материалами таких работ, в которых они принимали непосредственное участие йлй сотрудничали-с другими специалистами своих стран.
Распределение работы между авторами показано в оглавлении, кроме того в подготовке материалов по главам 2 и 3 принимал участие В. В. Витвицкий, а в главах 3, 5 и 6 использованы материалы Г. Ф. Румынина по миграционным расчетам с учетом комплексообразования.
Р —плотность воды (водного раствора), с ■— концентрация содержания мигранта в водном растворе, N—сорбционная емкость (объемная), о —■ скорость фильтрации, п0 — активная пористость породы, К а — коэффициент распределения в изотерме Генри, «э=я0+Ка •—«эффективная» пористость,
П — пористость (удельная емкость), п—п0 для нейтрального мигранта н п=па для сорбируемого мигранта, DM — коэффициент молекулярной диффузии в породе, Dg и Dr — коэффициенты продольной и поперечной гидродисперсии, о[1] и 8г - - параметры продольной и поперечной гидродрсперсии,
£> — обобщенный коэффициент дисперсии в модели диффузиоино-кои-
Вективного переноса, а* ~ коэффициент блокового массообмена, s* — удельная поверхность блокрв,
Х — удельное (объемное) содержание проводящих каналов в модели
Гетерогенно-блоковой среды, тп — мощность водоносного пласта, vx, vY, vі — компоненты скорости фильтрации в декартовых координатах,
С — интегральное изображение концентрации «с» по Лапласу — 'Кар - сону.